不良フィデューシャルマークがPCB印刷品質に与える影響

あらゆる電子部品の重要なキャリアとして、プリント基板は部品への優れた機械的支持を提供し、論理回路に従って異なる厚さの銅箔配線と異なるサイズのランドパッドで部品を接続し、製品の電気的性能を実現します。ほとんどの電子製品がSMTで製造されるため、PCB設計の品質は電気的性能の正常動作と直接関係するだけでなく、PCB実装製造の効率的運用とも直結します。フィデューシャルマークが印刷品質に与える影響を通じて、電子製品製造分野におけるPCB製造性の重要な影響を点対面的手法で論じます。

フィデューシャルマークの機能

SMT装置による電子製品の量産プロセスでは、実装用の各ロットPCBが正しい基板かつ正確な位置であることを要件とします。特別な設計なしの手動操作では効率と精度が低く、製品欠陥を招く可能性があります。

基板の正確な位置決めは、一般的に位置決め穴またはフィデューシャルマークで確保されます。位置決め穴の設計はPCB実装装置のブランドと型式に依存するため、すべてのPCBに配置されるわけではありませんが、フィデューシャルマークは各PCBに必須です。

フィデューシャルマークは特殊な光学位置決めシンボルです。製造時に実装装置がフィデューシャルマークに照射し、生成された画像座標をシステム内のプリセット標準データと比較。座標が標準データと適合するか、差異が許容範囲内なら基板を正と判定し、印刷・実装・はんだ付け等の工程へ送ります。そうでなければ不正と判定し、基板送りを一時停止してアラームを発します。

したがって、フィデューシャルマークは電子製品の正確性保証に重要な役割を果たします。しかし、多くのPCB設計者が設計した基板を実装装置が認識できず、その後の正常生産ができないケースがあります。PCB設計時にフィデューシャルマークの要件と規定を認識することは極めて重要です。

フィデューシャルマーク設計要件

構成と設計パラメータ

完全なフィデューシャルマークはマークとクリアランスで構成されます（図1）。一般的なパターンを図2に示します。

一般に、直径1mm（±0.2mm）の実心円が最適で、ベア銅、スズメッキ、透明な酸化防止被膜で保護されたニッケルメッキで形成します。実装装置が容易に認識できるよう、フィデューシャルマークの色は周囲領域と明確に異なる必要があります。また、フィデューシャルマーク周囲には1mm大きいクリアランスを設けます。一般にクリアランス半径は2R以上（Rはマーク半径）、3Rで装置の認識効果が最良です。

配置要件

「3つの非直線点が平面を決定する」理論に基づき、PCB上に「L」字パターンで3つのフィデューシャルマークを配置します（図3）。基板スペースが限られ3つ配置できない場合、少なくとも1組を対角線上に配置します（図4）。

対角線上のフィデューシャルマークは完全対称配置にしてはいけません。そうすると基板が正しくないときに装置がエラーを検出できず、不正確な基板や誤実装による欠陥が発生します。特別な要件・高精度位置決めが必要な部品には、ローカルフィデューシャルマークを設計して実装精度を向上させます。

また、フィデューシャルマークと基板エッジの距離は、SMT装置のクランプ最小距離要件より大きく、基板内部にあり（エッジではない）、最小フィデューシャルマーククリアランス要件を満たす必要があります。さらに、印刷装置と実装装置の認識効果を高めるため、フィデューシャルマーククリアランス内に他の配線、シルクスクリーン、ランドパッド、Vカットを配置してはならず、クリアランスと同類の金属点（テストポイント等）との距離は5.0mm以上必要です。

製造要件

ベアボードPCB製造プロセスでは、フィデューシャルマークのサイズ変化は25μm以内に抑える必要があります。変化が大きいと、コンピュータ画像で取得するデータ偏差が標準値の変化許容範囲を超え、基板ローダーとアラームに影響し、製造効率が低下します。

フィデューシャルマークの表面平坦度は15μm以内に制御し、同一の内部背景を共有する必要があります。平坦度が低いと装置の認識効果に影響し、動作しない可能性があります。

同一基板番号のPCB上のすべてのフィデューシャルマークは、サイズと形状が同一である必要があります。直径1mmの実心円で統一することを推奨。フィデューシャルマークとPCB基板材料の間で高コントラストが得られるときに最高性能が発揮されます。また、銅箔基板ではフィデューシャルマークを銅箔で隔離すべきです。

ケース分析

理解しやすい説明のため、Protelソフトウェアで50mm×30mmのPCB試作板を作成し、フィデューシャルマークを対角線上に配置しました（図5）。

図5の設計では、装置がカメラでパラメータを認識・比較し、正しい基板ローディング方向で正しい印刷作業が可能です。

しかし、基板ローディング方向が間違っている場合（図6：試作板を180°回転）、装置は依然として基板ローディング方向と現在のPCB位置の正しさを判定し、既定手順で通常の印刷作業を実行してしまいます。

これは製造効率を大幅に低下させます。さらにPCBA効率が高いため、不良基板発生後の製造停止までに大量の問題基板が生成されます。この状況では製造時間・効率が低下し、製品品質にも影響します。

フィデューシャルマーク配置の非対称化に加え、マークエッジと基板エッジの距離も注意が必要です。距離は3.5〜5mmの範囲に設定。マークサイズは中程度で、円形パターンでは直径1.0〜3.0mmに制御。大きすぎると装置が大きな位置調整を行い印刷欠陥を招き、小さすぎると認識失敗で基板ローディング拒否やアラームの原因になります。

結論として、フィデューシャルマーク設計は比較的シンプルですが、細部が見落とされがちです。不適切な設計では本来の機能が発揮できず、印刷エラーや製造遅延を招く可能性があります。回路設計者は回路設計の理論知識、実装装置のPCB製造要件を習得し、生産ラインのあらゆる側面からの要件を考慮して、製品の製造性・製造効率・経済性を高める必要があります。

参考リソース

• SMT PCB設計要件 Part 4: Mark
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 複数の付加価値オプション
• PCBCartの先進PCB実装サービス - 1個から対応